Матеріали та нанотехнології є процвітаючими галузями для фізиків, які часто виграють від співпраці з хіміками, біологами, інженерами та, звичайно, матеріалознавцями. Це робить писати про матеріали та нанотехнології захоплюючими, і цей рік не став винятком. Ось добірка деяких із наших улюблених матеріалів і історій про дослідження нанотехнологій, які ми опублікували у 2022 році.
Інтеграція наноматеріалів із живими організмами є гарячою темою, тому це дослідження «успадкованої нанобіоніки» у нашому списку. Ардеміс Богосян в EPFL у Швейцарії та його колеги показали, що певні бактерії поглинають одностінні вуглецеві нанотрубки (SWCNT). Більше того, коли бактеріальні клітини розщеплюються, ОУНТ розподіляються між дочірніми клітинами. Команда також виявила, що бактерії, що містять ОУНТ, виробляють значно більше електроенергії при освітленні світлом, ніж бактерії без нанотрубок. У результаті цю технологію можна використовувати для вирощування живих сонячних батарей, які не тільки виробляють чисту енергію, але й мають негативний вуглецевий слід, коли справа доходить до виробництва.
Значна частина світової культурної спадщини існує в матеріальній формі, і вчені відіграють важливу роль у збереженні минулого для майбутніх поколінь. У Швейцарії та Німеччині дослідники використали передову неінвазивну техніку візуалізації, щоб допомогти відновити середньовічні об’єкти, вкриті цвішзолотом. Це надзвичайно складний матеріал, що містить ультратонкий шар золота, який підтримується більш товстим шаром срібла. Zwischgold псується протягом століть, але експерти не були впевнені в його початковій структурі та в тому, як вона змінюється з часом, що ускладнює відновлення. Зараз команда під керівництвом Цін Ву в Університет прикладних наук і мистецтв Західної Швейцарії та Бенджамін Воттс в Інституті Пауля Шеррера використали вдосконалену техніку дифракції рентгенівських променів, щоб показати, що цвішзолото має шар золота товщиною 30 нм у порівнянні з листовим золотом, який зазвичай становить 140 нм. Вони також отримали уявлення про те, як матеріал починає відділятися від поверхні.
Термін «чудо-матеріал», мабуть, зловживають, але тут Світ фізики ми вважаємо, що це вдалий опис перовскітів – напівпровідникових матеріалів із властивостями, які роблять їх придатними для виготовлення сонячних елементів. Однак перовскітні пристрої мають свої недоліки, деякі з яких пов’язані з поверхневими дефектами та міграцією іонів. Ці проблеми посилюються спекою та вологістю – саме такими умовами повинні витримувати практичні сонячні батареї. тепер, Стефан Де Вольф в Науково-технологічному університеті короля Абдулли в Саудівській Аравії та його колеги створили пристрій з перовскіту, виготовлений із 2D- і 3D-шарів, який є більш стійким до тепла та вологи. Це пояснюється тим, що двовимірні шари діють як бар’єр, зупиняючи вплив води та іонів на 2D-частини пристрою.
Збереження кутового моменту є наріжним каменем фізики. Ось чому вчені були спантеличені долею обертання в деяких магнітах, яке, здається, зникало, коли матеріали бомбардували ультракороткими лазерними імпульсами. Тепер дослідники з Університет Констанца в Німеччині виявили, що цей «втрачений» кутовий момент фактично передається від електронів до коливань кристалічної решітки матеріалу протягом кількох сотень фемтосекунд. Випромінювання лазерних імпульсів на магнітні матеріали можна використовувати для зберігання та отримання даних, тому розуміння того, як передається кутовий момент, може призвести до кращих систем зберігання. Експеримент у Констанці також може призвести до розробки нових способів маніпулювання обертанням, що може принести користь розвитку спінтронних пристроїв.
Якщо говорити про чудо-матеріали, то 2022 рік став роком кубічного арсеніду бору. Було передбачено, що цей напівпровідник матиме дві технологічно важливі властивості – високу рухливість дірок і високу теплопровідність. Обидва ці прогнози були експериментально підтверджені цього року, і дослідники, які це зробили, вшановуються нашими дослідженнями 10 найкращих проривів 2022 року. Але це не зупинилося на цьому, пізніше цього року Усама Чоудрі і його колеги з Університету Каліфорнії в Санта-Барбарі та Університету Х’юстона використовували скануючу надшвидку електронну мікроскопію, щоб підтвердити, що «гарячі» електрони в кубічному арсеніді бору мають довгий час життя. Це ще одна дуже бажана властивість, яка може виявитися корисною при розробці сонячних елементів і детекторів світла.
За оцінками, 20% усієї електроенергії, що використовується в усьому світі, витрачається на звичайні парокомпресійні холодильні установки та кондиціонування повітря. Крім того, холодоагенти, що використовуються в цих системах, є потужними парниковими газами, які значною мірою сприяють глобальному потеплінню. У результаті вчені намагаються розробити більш екологічні холодильні системи. тепер, Пен Ву і його колеги з Шанхайського технічного університету створили твердотільну калорійну систему охолодження, яка використовує електричні поля, а не магнітні поля для створення напруги в матеріалі. Це важливо, оскільки електричні поля набагато простіше і дешевше реалізувати, ніж магнітні. Більше того, ефект відбувається при кімнатній температурі, що є важливою вимогою для практичної системи охолодження.
Ми збираємося додати ще один дивовижний матеріал до цьогорічного підсумку, і це графен із магічним кутом. Це створюється, коли шари графену обертаються відносно один одного, утворюючи суперрешітку муару, яка має ряд властивостей, які залежать від кута скручування. тепер, Цзя Лі і його колеги з Університету Брауна в США використали графен із магічним кутом для створення матеріалу, який демонструє як магнетизм, так і надпровідність – властивості, які зазвичай знаходяться на протилежних кінцях спектру у фізиці конденсованого середовища. Команда поєднала магічний кут графену з двовимірним матеріалом диселенідом вольфраму. Складна взаємодія між двома матеріалами дозволила дослідникам перетворити графен із надпровідника на потужний феромагнетик. Це досягнення може дати фізикам новий спосіб вивчення взаємодії між цими двома зазвичай різними явищами.
